永磁直驱风力发电机定子温度场研究

文 | 张海平，王金辉，艾厚刚

（作者单位：张海平，艾厚刚：包头中车电机有限公司；王金辉：新疆金风科技股份有限公司）

风力发电机整机在将机械能转化为电能的同时，部分能量以定子发热形式散失。在目前的技术条件下，定子的绝缘性能与散热能力是一对难以破解的矛盾，增大绝缘层厚度毫无疑问可以提高定子绝缘能力，但定子散热能力会随之降低，电机运行温度也会随之增高。反之，电机散热能力强，运行温度低，则电机容易潮湿，绝缘电阻又将随之降低。因此，在保证定子绝缘性能的前提下，通过研究定子温度场分布，可充分了解电机定子温度变化、电机散热和故障等情况，对于发电机的安全稳定运行具有重要意义。

此外，风力发电机单机大容量、大尺寸的发展趋势对其绝缘性能、抗腐蚀性能以及散热能力提出更高要求。定子的运行温度、散热能力与其绝缘性能相关。以永磁直驱风力发电机为例，目前，该类风力发电机最显著的故障模式为定子绝缘击穿及轴承失效。为了平衡定子绝缘性能和散热能力这对矛盾，需研究定子运行时的温度分布情况，找出定子运行温度最高值的对应位置，对此处进行结构优化和绝缘升级，以减少发电机因散热问题导致的定子绝缘失效。

本文基于定子制造材料、工作状况及运行环境，选择合适的定子对流换热系数，利用ANSYS软件的温度场模块模拟定子铁心、线圈的温度分布情况，得到合理的定子温度场云图，分析了发电机定子线圈的热传导、热对流情况，并将其与实测结果进行对比。

热分析基础理论

热传递有三种基本方式，分别是热传导、热对流及热辐射。

热传导是两个物体之间或一个物体不同部分之间由于温度梯度而引起的内能交换。热传导遵循傅立叶定律：

式中，q*为热流密度；Knn为导热系数；为沿向的温度梯度。

热对流是固体表面与其周围接触的流体之间由于温差引起的热交换，分为自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：

式中，hf为表面传热系数，TS为固体表面的温度，TB为周围流体的温度。

热辐射在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量，它们之间的净热量可以用斯蒂芬-波尔兹曼方程计算：

式中，Q为热流量，ε为吸射率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，A1为辐射面1的面积，F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数，T1为辐射面1的绝对温度，T2为辐射面2的绝对温度。

永磁直驱风力发电机在运行过程中，因电机内部的温度差值较小，本文在分析定子生热热传递时主要考虑导线、绝缘和硅钢片之间存在的热传导以及定子表面和空气之间存在的热对流情况，不考虑热辐射。

有限元分析

一、定子有限元模型建立及网格划分

利用ANSYS中Workbench对某大型风力发电机定子建模。由于定子的热量来源主要有两部分，一部分是定子线圈铜损耗，另一部分是定子铁心铁损耗，因此，分别建立线圈模型及其支架模型。定子线圈的关键技术参数是：定子绕组为双层结构，导体截面面积为10mm×4mm，采用成型线圈，绝缘材料等级为F级，建立的模型如图1所示。

定子直径大，线圈多，为减少仿真计算量，可以对定子结构进行简化：将叠压在一起的硅钢片作为一个整体；绕组与槽之间、铁心与绝缘材料之间的接触比较紧密，忽略其接触热阻；根据几何及边界条件的对称性，简化后的有限元模型如图2所示。

利用热模块分析时需要设置定子材料属性，导体材料为紫铜，密度为8.889kg/m3，弹性模量为80kN/mm2，泊松比为 0.32，比热容为390J/（kg· ℃），导热系数为383W/（m· K），热导率根据复合材料参数设定为42W/（m·℃）；硅钢片比热容为430J/（kg· ℃），导热系数为42.5W/（m· K）；绝缘材料比热容为 890J/（kg· ℃），导热系数为0.165W/（m· K）。

采用有限元分析中常用的映射网格形式对风力发电机定子进行网格划分。考虑到热分析的准确性及耦合间为直接耦合方式，选择的网格划分单元类型包括温度场中的所有单元，模型一共建立了72个接触对，划分后的网格如图3所示。

二、边界条件设置

在对定子发热量和定子热对流及热传导研究的基础上，对定子加载热载荷和边界条件。模型加载的边界条件分别为：（1）已知边界函数及界面温度，利用有限元法给出其余热温度条件。（2）利用与线圈相接触介质的温度和对流换热系数设置介质对流形式。

为使有限元更好地反映定子线圈内部温度变化的情况，应保证线圈与绝缘体之间的充分接触，在导体和绝缘材料热导率恒定的前提下加载边界条件。

发电机定子温度场仿真时设定的边界约束条件如下：

（1）定子线圈、绝缘材料与硅钢片的换热热传导系数由其材料属性确定。

（2）定子线圈发热量选取线圈通电时的最高发热数值。

（3）将线圈发热量以热传导的形式加载到绝缘体和硅钢片的内面上。

（4）在槽楔和硅钢片的外面上加载热对流。

三、发电机定子有限元结构分析

利用有限元软件分析求解定子瞬态温度场的分布情况，将仿真温度设定为机组运行的实际环境温度（15℃），热源只考虑定子线圈通电后的自身发热。整体及不同部位的仿真分析结果如图4所示。

表1 有限元法和现场PT100测量的定子线圈温度分布结果对比

由图4（a）定子整体发热量分布云图可知，发电机定子线圈与其相邻绝缘体的发热量最大，是定子热源。由于线圈被绝缘材料和硅钢片所包络，与外部的热交换小，不易散热，故其温度最高，为78.35℃。而在整体发电机定子发电过程中，槽楔部位温度低，热通量大。

有限元与实测结果对比分析

利用红外辐射测温仪FLUKE-62测量发电机定子支架温度，实测温度约为15℃。之后启动发电机组，记录机组自启动至稳定运行过程中定子温升情况。有限元法和现场PT100测量的定子线圈温度分布结果如表1所示。

由表可知，与现场实测结果相比，利用有限元法得出的定子温度场数值略大。这是因为有限元法在建模过程中，只考虑了线圈、绝缘、硅钢片的物理化参数，将绝缘漆、槽绝缘、层间垫条作为一个绝缘的整体进行简化，并未将三者有机联系起来。总体来看，两种方法的温度相差不大，分析结果可接受。

结论

通过本文研究可知，利用有限元法分析风力发电机定子正常运行条件下温度场变化情况，得到的数值与现场实测的定子温度场数值相差较小，因此，在此类分析中可以充分利用有限元法获取发电机定子温度。

由于永磁直驱风力发电机的安装位置通常在60～100m的高空中，利用有限元仿真结合温度传感器现场实测的方法对发电机定子的温度场研究有重要意义，不仅可以整体了解发电机定子的发热、散热情况，还能够指导后续风电机组定子绝缘、定子结构的优化设计工作。